03.04.2023 by Martin Rosenschon
Dynamická mechanická analýza vysokoteplotních materiálů
Charakterizace materiálu při teplotách nad 500 °C pomocí DMA
Dynamická mechanická analýza (zkráceně DMA) je metoda pro stanovení viskoelastických vlastností materiálů v závislosti na teplotě, čase a frekvenci. Hlavní aplikací DMA je stanovení skelných nebo fázových přechodů polymerů a polymerních kompozitů. Kromě polymerního průmyslu se používá také v potravinářské technologii a biomedicíně nebo obecně ve výzkumu materiálů. V těchto oblastech se obvykle charakterizuje viskoelastické chování materiálů při mírných teplotách do maximálně 500 °C.
Viskoelastické charakteristiky, jako je Pružnost a modul pružnostiPružnost pryže nebo entropická pružnost popisuje odolnost jakéhokoli pryžového nebo elastomerového systému proti vnější deformaci nebo deformaci. modul skladovatelnosti E' a Viskozní modulKomplexní modul (viskózní složka), ztrátový modul nebo G'' je "imaginární" část vzorků celkového komplexního modulu. Tato viskózní složka udává kapalnou nebo nefázovou odezvu měřeného vzorku. ztrátový modul E", však hrají důležitou roli i v oblasti vysokých teplot. Například lopatky plynové turbíny, které jsou často vyrobeny ze systémů slitin, jako je ocel, titan nebo slitiny niklu, musí být speciálně navrženy pro jejich zatížení - působící síly a frekvence - a výsledné teploty.
Ve spalovací komoře plynové turbíny lze dosáhnout teplot vyšších než 2 000 °C [1]. V závislosti na použité technologii chlazení a poloze se na lopatkách turbíny vyskytují maximální teploty mezi 500 °C a 1000 °C [1].
Obrázek 1 ukazuje měření DMA slitiny Inconel 625 do 1000 °C ve tříbodovém ohybu pomocí vysokoteplotní řady DMA Eplexor®® s dynamickou silou až 500 N. V závislosti na instalované peci umožňuje systém měření od pokojové teploty do 1000 °C nebo do 1500 °C.
Inconel 625 je superslitina na bázi niklu s hlavními legujícími prvky chromem, molybdenem a niobem. Jedná se o registrovanou ochrannou známku společnosti Special Metals Corp. Má vysokou odolnost proti korozi a oxidaci. Tato slitina se často používá v prostředí, kde panují vysoké teploty a korozivní podmínky, například v turbínách a dalších částech leteckých motorů, v pecích a potrubích.
Od hodnoty přibližně 210 GPa při 100 °C se Pružnost a modul pružnostiPružnost pryže nebo entropická pružnost popisuje odolnost jakéhokoli pryžového nebo elastomerového systému proti vnější deformaci nebo deformaci. modul skladovatelnosti E' (černá křivka) s rostoucí teplotou snižuje a materiál ztrácí tuhost. Při teplotě 400 °C je těsně pod 200 GPa a při teplotě 800 °C se pohybuje kolem 160 GPa. Tyto hodnoty lze použít například pro výpočet deformace lopatky turbíny v závislosti na provozní teplotě.
V průběhu tan δ (modrá křivka) lze při 713 °C a 808 °C (maximální teplota) identifikovat dva efekty. Slitiny na bázi niklu, jako je Inconel 625, se zpevňují definovaným tepelným zpracováním a s ním spojenou tvorbou intermetalických precipitátů. Typickými precipitačními fázemi ve slitinách na bázi niklu, které zvyšují pevnost, jsou metastabilní čelně centrovaná kubická fáze γ' Ni3( Al, Ti) a tělesově centrovaná kubická fáze γ" Ni3(Nb) [2]. Vznik a rozpouštění obou fází by mohlo vysvětlit účinek při 713 °C v tan δ. Přesnější závěry nelze učinit kvůli nedostatku informací o podmínkách tepelného zpracování výchozího materiálu. Petrzak a kol [3] také uvádí pro Inconel 625 vznik nespojité rovnovážné fáze δ Ni3(Nb, Ti) od 750 °C, což koreluje s druhým píkem v tan δ při teplotě kolem 800 °C.
Kromě určení charakteristických hodnot pro statický a dynamický návrh součástí lze DMA využít také k získání poznatků o morfologickém vývoji - v tomto případě o vzniku precipitací.
NETZSCH Společnost Analyzing & Testing nabízí správné DMA pro vaši individuální oblast použití, bez ohledu na to, zda chcete charakterizovat materiály v nízkoteplotním rozsahu od -170 °C do 500 °C nebo určit viskoelastické vlastnosti vysokoteplotních materiálů až do 1500 °C.
Literatura:
[P. P. (2011): Gas turbine engineering handbook. Elsevier.
[2] Andersson, J. (2011). Weldability of precipitation hardening superalloys: influence of microstructure [Svařitelnost precipitačně vytvrzených superslitin: vliv mikrostruktury]. Chalmers Tekniska Hogskola (Švédsko).
[3] Petrzak, P., Kowalski, K. & Blicharski, M. (2016). Analysis of phase transformations in Inconel 625 alloy during annealing (Analýza fázových přeměn ve slitině Inconel 625 během žíhání). Acta Physica Polonica A, 130(4), 1041-1044.
